铝合金由于具有比强度高、导热和导电性好、比重小等优点,在现代工业中应用广泛。然而铝合金的致命弱点是质软、摩擦系数及磨损率高等,这在很大程度上限制了铝合金的进一步应用。铝合金经过阳极氧化处理后,其表面的硬度和耐磨性能够得到显著的提高,而且,铝阳极氧化膜的微观多孔性结构赋予了其独特的功能,如在多孔层中填充润滑性物质形成表面复合材料,可在保持铝阳极氧化膜原有特性的基础上有效降低阳极氧化膜的摩擦系数,改善其润滑性能。 由于铝硬质阳极氧化膜的孔径一般只有十几个纳米,润滑剂填充困难,因而铝合金表面自润滑复合材料的制备比较困难。因此,探索新的铝合金表面自润滑复合材料制备方法对于推广其在工业上的应用将有重大的实际意义。 本文采用阳极氧化法,通过控制氧化膜的微孔结构,在铝合金上生成了一层表面复合材料大孔径、厚模板,探索了表面复合材料模板的制备体系,对模板厚度、硬度、微观形态进行了研究及优化,并提出了一种新的自润滑处理技术,制备出了铝合金表面纳米自润滑复合材料,研究了铝合金表面自润滑复合材料的摩擦学性能。 铝合金表面纳米自润滑复合材料要求氧化铝模板具有较大的孔径及较厚的膜层,而现有的常规阳极氧化技术无法实现。如一般常用的硫酸及草酸阳极氧化生成的氧化铝模板膜层厚,硬度高,但模板孔径分别为几个至十几个纳米,润滑剂难以填充；磷酸阳极氧化生成的氧化铝模板孔径较大,但膜层太薄,仅2-3 μm左右。本文从两个方面探索表面复合材料大孔径、厚模板的制备体系,一是以厚膜氧化体系为基础,提高模板的孔径；二是以大孔径氧化体系为基础,提高模板的厚度。 研究表明,在以草酸为主的电解液中阳极氧化可得到厚度超过20 u m的氧化铝模板,经扩孔处理后孔径为40nm左右,进一步扩孔将会破坏模板结构。 在以磷酸为主的电解液中进行阳极氧化,通过快速氧化工艺而获得的氧化铝模板质量好,厚度可超过20 μm,孔径为70nm左右；而通过复合氧化工艺而获得的氧化铝模板孔径大于100nm,厚度可超过20 μm,较好的满足了制备表面自润滑复合材料的要求。 本文研究表明,磷酸电解液中有机酸的加入可以有效提高氧化铝模板的厚度,加入稀土盐则对模板的硬度贡献较大。有机酸及稀土盐可在阳极氧化过程中发生协同作用,通过物理作用及化学反应参与并改变阳极氧化过程,其结果可以在保持磷酸氧化铝模板大孔径特征的基础上大大提高其厚度及硬度。 对表面复合材料模板的研究表明,氧化铝模板的微观形态及厚度、硬度主要取决于预处理条件、氧化电压、温度及时间。氧化前采用退火及电解抛光预处理工艺、控制氧化电压在130V～150V,氧化温度0-15℃,适当延长氧化时间(>90min)、采用二次氧化工艺均有助于获得孔径大、厚度硬度高、有序性好的表面复合材料模板。 以铝合金阳极氧化大孔径、厚膜为模板,本文提出了一种在PTFE乳液中采用超声波浸渍及后续处理的新方法,制备了表面纳米自润滑复合材料。实验表明采用该法制备的复合材料能显著提高铝合金表面的摩擦学性能。与硬质阳极氧化膜及热浸涂覆法制备的自润滑复合材料相比,表面纳米自润滑复合材料的摩擦系数最小(三者的比值为0.55:0.3:0.25),磨损量最低(三者的重量磨损量之比为1:0.31:0.14),即表面纳米自润滑复合材料的减磨、耐磨性能最好。 在自润滑复合材料制备过程中,浸渍时间及热处理工艺对表面复合材料的结构及性能影响较大,浸渍时间短,氧化膜孔隙中润滑剂填充量少,摩擦系数高；浸渍时间过长,氧化膜孔隙中润滑剂填充量多,但自润滑表面硬度降低,且容易出现裂纹；热处理温度越高,保温时间越长,表面复合材料硬度越高,裂纹越明显.综合评估制备工艺对表面纳米自润滑复合材料摩擦系数、硬度及外观的影响,确定适宜的超声浸渍时间为5min,后续浸渍时间为30min；热处理温度为390℃,保温30min,室温水冷。 对表面纳米自润滑复合材料的摩擦学性能研究表明,表面纳米自润滑复合材料的减磨耐磨机理在于摩擦过程中转移膜的形成、氧化铝基体的支撑和抗磨作用及纳米颗粒的自修复作用,其磨损机制可解释为初期阶段主要为粘着磨损,中期阶段主要为粘着磨损和剥层磨损,磨损后期主要为疲劳磨损。 本文通过对铝合金阳极氧化膜的结构的控制,制备出了大孔径、大厚度的氧化膜,并以此为模板,采用超声浸渍及后续处理技术,制备了性能优良的铝合金表面纳米自润滑复合材料,并应用于高速工业缝纫机的运动部件。